天然气水合物物化性质
2009年11月02日
在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。它可存在于零下，又可存在于零上温度环境。从所取得的岩心样品来看，气水合物可以以多种方式存在：①占据大的岩石粒间孔隙；②以球粒状散布于细粒岩石中；③以固体形式填充在裂缝中；或者为④大块固态水合物伴随少量沉积物。
气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：①相同的组合状态的变化——流体转化为固体；②均属放热过程，并产生很大的热效应——0℃融冰时需用0.335KJ的热量，0～20℃分解天然气水合物时每克水需要0.5～0.6KJ的热量；③结冰或形成水合物时水体积均增大——前者增大9％，后者增大26％～32％；④水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；⑤冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。
天然气水合物中，水分子（主体分子）形成一种空间点阵结构，气体分子（客体分子）则充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计量关系。形成点阵的水分子之间靠较强的氢健结合，而气体分子和水分子之间的作用力为范德华力。 到目前为止，已经发现的天然气水合物结构有三种，即结构 I 型、结构 II 型（图1）和结构H型。结构 I 型气水合物为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架；结构 II 型气水合物为菱型晶体结构，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类；结构H型气水合物为六方晶体结构，其大的“笼子”甚止可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如i-C5和其他直径在7.5～8.6A之间的分子（表1）。结构H型气水合物早期仅存在于实验室，1993年才在墨西哥湾大陆斜坡发现其天然产物。 II 型和H型水合物比 I 型水合物更稳定。除墨西哥外，在格林大峡谷地区也发现了 I 、 II 、H型三种气水合物共存的现象。
在一定的温压条件下，即在气水合物稳定带（HSZ）内，气水合物可以稳定存在，如果脱离HSZ水合物就会分解。气水合物一般随沉积作用的发生而生成，随着沉积的进一步进行，稳定带基底处的水合物由于等温线的持续变化而分解。孔隙中的水达到饱和后会产生游离气体，其向上运移到水合物稳定带并重新生成水合物。但是在离开HSZ后，人们发现天然气水合物仍具有相对的稳定性。Ershov和Yakushev在实验过程中发现，在一定晶体中生长的气体水合物，在大气压和零度以下可以保存好几天。他们认为水合物的初始分解导致在水合物样品的表面形成一层脱离的膜，其可减缓或很可能阻止水合物的进一步分解。Ershov和Yakushev（1992）将这一现象称为气水合物的自保性。加拿大马更些三角洲Taglu气田92GSCTAGLU钻孔中可见气水合物的发现，证实了自然界中气水合物具有自保性。这种水合物如薄冰层，其可在大气压条件和冻结温度以下稳定存在4小时。
气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：①相同的组合状态的变化——流体转化为固体；②均属放热过程，并产生很大的热效应——0℃融冰时需用0.335KJ的热量，0～20℃分解天然气水合物时每克水需要0.5～0.6KJ的热量；③结冰或形成水合物时水体积均增大——前者增大9％，后者增大26％～32％；④水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；⑤冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。
天然气水合物中，水分子（主体分子）形成一种空间点阵结构，气体分子（客体分子）则充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计量关系。形成点阵的水分子之间靠较强的氢健结合，而气体分子和水分子之间的作用力为范德华力。 到目前为止，已经发现的天然气水合物结构有三种，即结构 I 型、结构 II 型（图1）和结构H型。结构 I 型气水合物为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架；结构 II 型气水合物为菱型晶体结构，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类；结构H型气水合物为六方晶体结构，其大的“笼子”甚止可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如i-C5和其他直径在7.5～8.6A之间的分子（表1）。结构H型气水合物早期仅存在于实验室，1993年才在墨西哥湾大陆斜坡发现其天然产物。 II 型和H型水合物比 I 型水合物更稳定。除墨西哥外，在格林大峡谷地区也发现了 I 、 II 、H型三种气水合物共存的现象。
在一定的温压条件下，即在气水合物稳定带（HSZ）内，气水合物可以稳定存在，如果脱离HSZ水合物就会分解。气水合物一般随沉积作用的发生而生成，随着沉积的进一步进行，稳定带基底处的水合物由于等温线的持续变化而分解。孔隙中的水达到饱和后会产生游离气体，其向上运移到水合物稳定带并重新生成水合物。但是在离开HSZ后，人们发现天然气水合物仍具有相对的稳定性。Ershov和Yakushev在实验过程中发现，在一定晶体中生长的气体水合物，在大气压和零度以下可以保存好几天。他们认为水合物的初始分解导致在水合物样品的表面形成一层脱离的膜，其可减缓或很可能阻止水合物的进一步分解。Ershov和Yakushev（1992）将这一现象称为气水合物的自保性。加拿大马更些三角洲Taglu气田92GSCTAGLU钻孔中可见气水合物的发现，证实了自然界中气水合物具有自保性。这种水合物如薄冰层，其可在大气压条件和冻结温度以下稳定存在4小时。